(57)【要約】      （修正有）【課題】部品数を増加させずに、既反応ガスの水蒸気を用いて未反応ガスを加湿する燃料電池システムを提供する。【解決手段】  カソード電極２０７及びアノード電極２７０が形成された固体高分子膜２００と、固体高分子膜２００を挟持する第１セパレータ１００及び第２セパレータ３００とを備える燃料電池システム１であって、第１セパレータ１００には、未反応ガスが流れる未反応通路１０３ａと、その未反応通路１０３ａを流れたガスを電極２０７に導く反応通路１０３ｂとが形成され、前記第２セパレータ３００には、前記固体高分子膜２００を挟んで前記第１セパレータ１００の未反応通路１０３ａに対して交差し、既反応ガスが流れる通路３５０が形成され、前記通路３５０を流れる既反応ガスに含有される水が、前記固体高分子膜２００を透過して、第１セパレータ１００の未反応通路１０３ａを流れる未反応ガスを加湿するようにした。【選択図】図２
2006344460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード電極及びアノード電極が形成された固体高分子膜と、
前記固体高分子膜を挟持する第１セパレータ及び第２セパレータと、
を備える燃料電池システムであって、
前記第１セパレータには、供給マニフォールドから供給され未だ反応していない未反応ガスが流れる未反応通路と、その未反応通路を流れたガスを電極に導く反応通路とが形成され、
前記第２セパレータには、前記固体高分子膜を挟んで前記第１セパレータの未反応通路に対して交差し、前記反応通路を流れて反応水を含有している既反応ガスが流れる通路が形成され、
前記第２セパレータに形成された通路を流れる既反応ガスに含有される水が、前記固体高分子膜を透過して、前記第１セパレータの未反応通路を流れる未反応ガスを加湿するようにした、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記反応通路は、サーペンタイン状である、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記反応通路は、ストレート状である、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１セパレータの反応通路を流れた既反応ガスは、前記固体高分子膜に形成された孔を通って、前記第２セパレータの通路を流れる、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第１セパレータの反応通路を流れた既反応ガスは、第１セパレータの外周に形成された通路を通って、前記第２セパレータの通路を流れる、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１セパレータの外側に配置され、通路が形成されたエンドプレートを備え、
前記第１セパレータの反応通路を流れた既反応ガスは、前記エンドプレートに形成された通路を通って、前記第２セパレータの通路を流れる、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第１セパレータの反応通路を流れた既反応ガスを、前記第２セパレータの通路又は排気マニフォールドに流す三方弁を備える、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記固体高分子膜の水を透過する部分は、固体高分子膜の他の部分よりも薄い、
ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記固体高分子膜の水を透過する部分は、多孔質体で形成される、
ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記多孔質体は、前記第２セパレータ側には親水処理が施され、前記第１セパレータ側には撥水処理される、
ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下「ＭＥＡ」という）及びセパレータからなる単セルを積層することによって構成される。ＭＥＡは、電解質膜の一方の面に形成されたアノード電極（アノードガス極；水素極）と、他方の面に形成されたカソード電極（カソードガス極；酸素極）とを有する。
【０００３】
アノード電極では、セパレータから水素Ｈ2を含有するアノードガスが供給され、以下のように反応する。
アノード電極：２Ｈ2→４Ｈ+＋４ｅ-      。
【０００４】
このようにしてアノード電極で生成したプロトンＨ+は、電解質膜を透過してカソード電極に到達する。また電子ｅ-は外部回路を通ってカソード電極に到達する。
【０００５】
カソード電極では、セパレータから酸素Ｏ2を含有するカソードガスが供給される。このカソードガスが、カソード電極に到達したプロトンＨ+及び電子ｅ-と以下のように反応する。
カソード電極：Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ      。
【０００６】
この過程において、電解質膜を透過するプロトンＨ+の適度な伝導性を維持することが、固体高分子型燃料電池（以下、「燃料電池」という）の運転には不可欠である。
【０００７】
プロトンＨ+の伝導性は水分量に比例するため、燃料電池の運転中は、電解質膜の含水状態を適度に保つことが必要である。しかし、燃料電池の運転中は、供給されて未だ反応していないアノードガス及びカソードガス（以下、「未反応ガス」という）によって電解質膜が乾燥する。そこで通常は、未反応ガスを予め加湿し、この水分によって電解質膜の含水状態を保っている。
【０００８】
ここで、未反応ガスを加湿するための水を外部に蓄えると、その分だけ燃料電池システムが大きくなってしまう。そこで、アノード電極及びカソード電極を通過して既に反応したアノードガス及びカソードガス（以下、「既反応ガス」という）が、未反応ガスと比べて多くの水蒸気を含むという燃料電池の特性を生かした方法が用いられる。この方法では既反応ガスの水蒸気を未反応ガスに添加するため、燃料電池の外部に加湿用の水を予め用意する必要がなく、燃料電池システムの小型化を図ることができる。
【０００９】
そこで特許文献１では、既反応ガスと未反応ガスとを温湿度交換膜を介して接触させ、既反応ガスの水蒸気を未反応ガスに添加するように構成した湿温度交換手段を備える燃料電池システムを提供している。
【特許文献１】特開２００３−３１２４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし従来の燃料電池システムでは、燃料電池に用いるセパレータ以外にも未反応ガスと既反応ガスとを分離するプレートや湿温度交換膜などを用いているため、部品数は依然多いという問題があった。
【００１１】
本発明は、このような従来の問題に着目してなされたものであり、部品を新たに設けることなく、既反応ガスの水蒸気を未反応ガスに添加することができる燃料電池システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【００１３】
カソード電極（２０７）及びアノード電極（２７０）が形成された固体高分子膜（２００）と、前記固体高分子膜（２００）を挟持する第１セパレータ（１００）及び第２セパレータ（３００）とを備える燃料電池システム（１）であって、前記第１セパレータ（１００）には、供給マニフォールド（１０１）から供給され未だ反応していない未反応ガスが流れる未反応通路（１０３ａ）と、その未反応通路（１０３ａ）を流れたガスを電極（２０７）に導く反応通路（１０３ｂ）とが形成され、前記第２セパレータ（３００）には、前記固体高分子膜（２００）を挟んで前記第１セパレータ（１００）の未反応通路（１０３ａ）に対して交差し、前記反応通路（１０３ｂ）を流れて反応水を含有している既反応ガスが流れる通路（３５０）が形成され、前記第２セパレータ（３００）に形成された通路（３５０）を流れる既反応ガスに含有される水が、前記固体高分子膜（２００）を透過して、前記第１セパレータ（１００）の未反応通路（１０３ａ）を流れる未反応ガスを加湿するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、固体高分子膜を挟むセパレータを用いて既反応ガスと未反応ガスとを分離し、固体高分子膜を用いて既反応ガスの水蒸気を未反応ガスへ添加する。このことから、加湿膜やガスを分離するためのセパレータを新たに用いることなく、既反応ガスの水蒸気を用いて未反応ガスを加湿することができる燃料電池システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の燃料電池システムの第１実施形態に使用する単セル１を示す図である。図１（Ａ）は単セル１の積層断面を示す図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の領域ｂを拡大して示した図であり、電解質膜２００の水蒸気透過部分２２１,２２２の断面を示す図である。本発明の理解を容易にするために、両側に隣接する単セル１もあわせて図示する。
【００１６】
単セル１は、カソードセパレータ１００と、電解質膜２００と、アノードセパレータ３００とから構成される。
【００１７】
電解質膜２００は、カソードセパレータ１００及びアノードセパレータ３００に挟持される。電解質膜２００は、以下に説明する水蒸気透過部分２２１,２２２において、図１（Ｂ）に示すように両側が多孔質体２００ｂで挟まれている。この多孔質体２００ｂにはガス拡散層が用いられる。電解質膜２００は、一方の面の中央付近にカソード電極２０７を有し、そのカソード電極２０７の裏面にアノード電極２７０を有する。カソード電極２０７は、カソード触媒層とガス拡散層とから構成される。アノード電極２７０は、アノード触媒層とガス拡散層とから構成される。
【００１８】
このように構成される単セル１において、カソードガスは、カソードセパレータ１００を流通しながらカソード電極２０７と接触する。アノードガスは、アノードセパレータ３００を流通しながらアノード電極２７０と接触する。このようにしてカソードガス及びアノードガスを各電極に接触させて、単セル１は発電する。
【００１９】
次に、図２を用いて、カソードセパレータ１００と、電解質膜２００と、アノードセパレータ３００の詳細について説明する。
【００２０】
図２は本発明の燃料電池システムの第１実施形態に使用する単セル１の各構成要素を示す図である。図２（Ａ）は、カソードセパレータ１００を電解質膜２００側から見た図である。図２（Ｂ）は、電解質膜２００をアノードセパレータ３００側から見た図である。図２（Ｃ）は、アノードセパレータ３００を、電解質膜２００側とは反対側から透視した図である。なお、図２（Ａ）〜（Ｃ）の図中の太線は、アノードガスやカソードガスの漏洩を防止するためのシール材を示す線である。
【００２１】
カソードセパレータ１００と、電解質膜２００と、アノードセパレータ３００とは、それぞれ同等の長方形である。
【００２２】
カソードセパレータ１００は、中央付近でカソード電極２０７と当接する。この当接する領域をカソード当接領域Ｃとして図中のアミで示す。カソード当接領域Ｃは長方形である。
【００２３】
カソードセパレータ１００には、カソードガス供給マニフォールド１０１と、流路１０３と、凹部１０４と、カソードガス排出マニフォールド１０６と、アノードガス供給マニフォールド１１０と、凹部１４０と、ストレート流路１５０と、アノードガス排出マニフォールド１６０とが形成される。
【００２４】
カソードガス供給マニフォールド１０１は、カソード当接領域Ｃの外側であって、カソードセパレータ１００の短辺の中央付近に形成される（図２（Ａ）右端）。カソードガス供給マニフォールド１０１は、カソードセパレータ１００を貫通するように形成される。
【００２５】
凹部１０４は、カソードガス供給マニフォールド１０１とカソード当接領域Ｃとの間に形成される。凹部１０４はカソードセパレータ１００が窪まされて形成される。
【００２６】
流路１０３は、カソードガス供給マニフォールド１０１と凹部１０４とを連通する流路である。流路１０３は、接続流路１０３ａと、反応流路１０３ｂと、接続流路１０３ｃとを有する。接続流路１０３ａはカソード当接領域Ｃの外側に配置され、カソードガス供給マニフォールド１０１と連通する。反応流路１０３ｂはカソード当接領域Ｃに配置されカソード電極２０７と当接する。接続流路１０３ｃはカソード当接領域Ｃの外側に配置され、凹部１０４と連通する。カソードガス供給マニフォールド１０１から供給されたカソードガスは、接続流路１０３ａ→反応流路１０３ｂ→接続流路１０３ｃを順次流通し、反応流路１０３ｂを流通するときに上述したカソード電極での反応が行われる。また本実施形態の反応流路１０３ｂはサーペンタイン流路である。
【００２７】
カソードガス排出マニフォールド１０６は、流路１０３ａを挟んで、凹部１０４の反対側に形成される。カソードガス排出マニフォールド１０６はカソードセパレータ１００を貫通するように形成される。
【００２８】
アノードガス供給マニフォールド１１０は、カソード当接領域Ｃの外側であって、カソードセパレータ１００の短辺の中央付近に形成される（図２（Ａ）左端）。アノードガス供給マニフォールド１１０は、カソードセパレータ１００を貫通するように形成される。
【００２９】
凹部１４０は、アノードガス供給マニフォールド１１０とカソード当接領域Ｃとの間に形成される。凹部１４０はカソードセパレータ１００が窪まされて形成される。
【００３０】
ストレート流路１５０は、凹部１４０と、後述するアノードガス排出マニフォールド１６０とを連通する流路である。
【００３１】
アノードガス排出マニフォールド１６０は、アノードガス供給マニフォールド１１０とカソード当接領域Ｃとの間に形成される。アノードガス排出マニフォールド１６０はカソードセパレータ１００を貫通するように形成される。
【００３２】
電解質膜２００は中央付近にアノード電極２７０が形成される。アノード電極２７０は長方形である。電解質膜２００を挟んでアノード電極２７０の裏側にカソード電極２０７が形成される（図示せず）。
【００３３】
電解質膜２００には、カソードガス供給マニフォールド２０１と、連通孔２０４と、カソードガス排出マニフォールド２０６と、アノードガス供給マニフォールド２１０と、連通孔２４０と、アノードガス排出マニフォールド２６０とが形成される。
【００３４】
カソードガス供給マニフォールド２０１は、アノード電極２７０の外側であって、電解質膜２００の短辺の中央付近に形成される（図２（Ｂ）右端）。カソードガス供給マニフォールド２０１は電解質膜２００を貫通するように形成される。カソードセパレータ１００の上に電解質膜２００を重ねたとき、カソードガス供給マニフォールド２０１は、カソードガス供給マニフォールド１０１と重なる。
【００３５】
連通孔２０４は、カソードガス供給マニフォールド２０１とアノード電極２７０との間に形成される。カソードセパレータ１００の上に電解質膜２００を重ねたとき、連通孔２０４は凹部１０４と重なる。
【００３６】
カソードガス排出マニフォールド２０６は、カソードガス供給マニフォールド２０１とアノード電極２７０との間に形成される。カソードガス排出マニフォールド２０６は、電解質膜２００を貫通するように形成される。カソードセパレータ１００の上に電解質膜２００を重ねたとき、カソードガス排出マニフォールド２０６は、カソードガス排出マニフォールド１０６と重なる。
【００３７】
連通孔２０４とカソードガス排出マニフォールド２０６との間の電解質膜２００の部分を、水蒸気透過部分２２１して図中のアミで示す。この水蒸気透過部分２２１は接続流路１０３ａと当接する。
【００３８】
アノードガス供給マニフォールド２１０は、アノード電極２７０の外側であって、電解質膜２００の短辺の中央付近に形成される（図２（Ｂ）左端）。アノードガス供給マニフォールド２１０は電解質膜２００を貫通するように形成される。カソードセパレータ１００の上に電解質膜２００を重ねたとき、アノードガス供給マニフォールド２１０は、アノードガス供給マニフォールド１１０と重なる。
【００３９】
連通孔２４０は、アノードガス供給マニフォールド２１０とアノード電極２７０との間に形成される。カソードセパレータ１００の上に電解質膜２００を重ねたとき、連通孔２４０は凹部１４０と重なる。
【００４０】
アノードガス排出マニフォールド２６０は、アノードガス供給マニフォールド２１０とアノード電極２７０との間に形成される。アノードガス排出マニフォールド２６０は、電解質膜２００を貫通するように形成される。カソードセパレータ１００の上に電解質膜２００を重ねたとき、アノードガス排出マニフォールド２６０はアノードガス排出マニフォールド１６０と重なる。
【００４１】
連通孔２４０とアノードガス排出マニフォールド２６０との間の電解質膜２００の部分を、水蒸気透過部分２２２として図中のアミで示す。この水蒸気透過部分２２２はストレート流路１５０と接する。
【００４２】
アノードセパレータ３００は、中央付近でアノード電極２７０と当接する。この当接する領域をアノード当接領域Ａとして図中のアミで示す。アノード当接領域Ａは、カソード当接領域Ｃと同等の長方形である。
【００４３】
アノードセパレータ３００には、アノードガス供給マニフォールド３１０と、流路３０３と、凹部３４０と、アノードガス排出マニフォールド３６０とカソードガス供給マニフォールド３０１と、凹部３０４と、ストレート流路３５０と、カソードガス排出マニフォールド３０６とが形成される。
【００４４】
アノードガス供給マニフォールド３１０は、アノード当接領域Ａの外側であって、アノードセパレータ３００の短辺の中央付近に形成される（図２（Ｃ）右端）。アノードガス供給マニフォールド３１０は、アノードセパレータ３００を貫通するように形成される。アノードセパレータ３００を電解質膜２００の上に重ねたとき、アノードガス供給マニフォールド３１０はアノードガス供給マニフォールド２１０と重なる。
【００４５】
凹部３４０は、アノードガス供給マニフォールド３１０とアノード当接領域Ａとの間に形成される。凹部３４０はアノードセパレータ３００が窪まされて形成される。アノードセパレータ３００を電解質膜２００の上に重ねたとき、凹部３４０は連通孔２４０と重なる。
【００４６】
流路３０３は、アノードガス供給マニフォールド３１０と凹部３４０とを連通する流路である。流路３０３は、接続流路３０３ａと、反応流路３０３ｂと、接続流路３０３ｃとを有する。接続流路３０３ａはアノード当接領域Ａの外側に配置され、アノードガス供給マニフォールド３１０と連通する。アノードセパレータ３００を電解質膜２００の上に重ねたとき、接続流路３０３ａは水蒸気透過部分２２２と接し、水蒸気透過部分２２２を挟んでストレート流路１５０と交差する。反応流路３０３ｂはアノード当接領域Ａに配置されアノード電極２７０と当接する。接続流路３０３ｃはアノード当接領域Ａの外側に配置され、凹部３４０と連通する。アノードガス供給マニフォールド３１０から供給されたアノードガスは、接続流路３０３ａ→反応流路３０３ｂ→接続流路３０３ｃを順次流通し、反応流路３０３ｂを流通するときに上述したアノード電極での反応が行われる。また本実施形態の反応流路３０３ｂはサーペンタイン流路である。
【００４７】
アノードガス排出マニフォールド３６０は、流路３０３ａを挟んで、凹部３４０の反対側に形成される。アノードガス排出マニフォールド３６０はアノードセパレータ３００を貫通するように形成される。アノードセパレータ３００を電解質膜２００の上に重ねたとき、アノードガス排出マニフォールド３６０はアノードガス排出マニフォールド２６０と重なる。
【００４８】
カソードガス供給マニフォールド３０１は、アノード当接領域Ａの外側であって、アノードセパレータ３００の短辺の中央付近に形成される（図２（Ｃ）右端）。カソードガス供給マニフォールド３０１は、アノードセパレータ３００を貫通するように形成される。アノードセパレータ３００を電解質膜２００の上に重ねたとき、カソードガス供給マニフォールド３０１はカソードガス供給マニフォールド２０１と重なる。
【００４９】
凹部３０４は、カソードガス供給マニフォールド３０１とアノード当接領域Ａとの間に形成される。凹部３０４はアノードセパレータ３００が窪まされて形成される。アノードセパレータ３００を電解質膜２００の上に重ねたとき、凹部３０４は連通孔２０４と重なる。
【００５０】
ストレート流路３５０は、凹部３０４と、後述するアノードガス排出マニフォールド３０６とを連通する流路である。アノードセパレータ３００を電解質膜２００の上に重ねたとき、ストレート流路３５０は、水蒸気透過部分２２１と接し、水蒸気透過部分２２１を挟んで接続流路１０３ａと交差する。
【００５１】
カソードガス排出マニフォールド３０６は、カソードガス供給マニフォールド３０１とアノード当接領域Ａとの間に形成される。カソードガス排出マニフォールド３０６はアノードセパレータ３００を貫通するように形成される。アノードセパレータ３００を電解質膜２００の上に重ねたとき、カソードガス排出マニフォールド３０６は、カソードガス排出マニフォールド３０６と重なる。
【００５２】
単セル１内のカソードガス及びアノードガスの移動について、図２（Ａ）〜（Ｃ）を用いて説明する。まずカソードガスの移動について説明する。
【００５３】
カソードガスは外部から供給され、カソードガス供給マニフォールド３０１,２０１を流通し、カソードガス供給マニフォールド１０１からカソードセパレータ１００上を流通する。
【００５４】
カソードガスは、流路１０３を流通し凹部１０４へ流通する。カソードガスは、前述したように順次流通し、反応流路１０３ｂを流通する際にカソード電極２０７上でプロトンＨ+と反応して生成水が添加される。このことから、接続流路１０３ｃを流通する既反応カソードガスは、接続流路１０３ａを流通する未反応カソードガスに比べて多くの水蒸気を含有する。
【００５５】
既反応カソードガスは、凹部１０４から連通孔２０４を流通する。そして凹部３０４からストレート流路３５０を流通する。
【００５６】
前述したようにストレート流路３５０は、水蒸気透過部分２２１を挟んで、接続流路１０３ａと交差する。このことから、水蒸気透過部分２２１のアノードセパレータ３００側には、水蒸気分圧が高い既反応カソードガスが流通する。水蒸気透過部分２２１のカソードセパレータ１００側には、既反応カソードガスに比べて水蒸気分圧が低い未反応カソードガスが流通する。このようにして、水蒸気透過部分２２１の両側を流通するカソードガスには水蒸気分圧の差がある。そこで水蒸気透過部分２２１は、水蒸気分圧が高い既反応カソードガスから、水蒸気分圧が低い未反応カソードガスへ水蒸気を透過させる。すなわち、ストレート流路３５０の既反応カソードガスに含まれる水蒸気が、接続流路１０３ａの未反応カソードガスへ添加される。
【００５７】
そして既反応カソードガスは、カソードガス排出マニフォールド３０６からカソードガス排出マニフォールド２０６,１０６を流通して外部へ排出される。
【００５８】
アノードガスの移動について説明する。
【００５９】
アノードガスは外部から供給され、アノードガス供給マニフォールド１１０,２１０を流通し、アノードガス供給マニフォールド３１０からアノードセパレータ３００上を流通する。
【００６０】
アノードガスは、流路３０３を流通し凹部３４０へ流通する。アノードガスは、前述したように順次流通し、反応流路３０３ｂを流通する際に、逆拡散によって移動してきたアノード電極２７０上の水が添加される。このことから、接続流路３０３ｃを流通する既反応アノードガスは、接続流路３０３ａを流通する未反応アノードガスに比べて多くの水蒸気を含有する。
【００６１】
既反応アノードガスは、凹部３４０から連通孔２４０を流通する。そして凹部１４０からストレート流路１５０を流通する。
【００６２】
前述したようにストレート流路１５０は、水蒸気透過部分２２２を挟んで、接続流路３０３ａと交差する。このことから、水蒸気透過部分２２２のカソードセパレータ１００側には、水蒸気分圧が高い既反応アノードガスが流通する。水蒸気透過部分２２２のアノードセパレータ３００側には、既反応アノードガスに比べて水蒸気分圧が低い未反応アノードガスが流通する。このようにして、水蒸気透過部分２２２の両側を流通するアノードガスには水蒸気分圧の差がある。そこで水蒸気透過部分２２２は、水蒸気分圧が高い既反応アノードガスから、水蒸気分圧が低い未反応アノードガスへ水蒸気を透過させる。すなわち、ストレート流路１５０の既反応アノードガスに含まれる水蒸気が、接続流路３０３ａの未反応アノードガスへ添加される。
【００６３】
そして既反応アノードガスは、アノードガス排出マニフォールド１６０からアノードガス排出マニフォールド２６０,３６０を流通して外部へ排出される。
【００６４】
本実施形態の燃料電池システムに使用する単セル１において、既反応カソードガスが流通するストレート流路３５０と未反応カソードガスが流通する接続流路１０３ａとを、水蒸気透過部分２２１を挟んで交差させた。同様に、既反応アノードガスが流通するストレート流路１５０と未反応アノードガスが流通する接続流路３０３ａとを、水蒸気透過部分２２２を挟んで交差させた。このように単セル１を構成することで、電解質膜２００の一部である水蒸気透過部分２２１,２２２を用いて、既反応ガスの水蒸気を未反応ガスに添加することができる。このことから本実施形態の燃料電池システムでは、新たに水蒸気透過膜を用いることなく既反応ガスの水蒸気を未反応ガスに添加することができる。
【００６５】
本実施形態では、未反応カソードガスが流通する接続流路１０３ａをカソードセパレータ１００に形成し、既反応カソードガスが流通するストレート流路３５０をアノードセパレータ３００に形成した。同様に、未反応アノードガスが流通する接続流路３０３ａをアノードセパレータ３００に形成し、既反応アノードガスが流通するストレート流路１５０をカソードセパレータ１００に形成した。
【００６６】
このようにして、単セル１のカソードセパレータ１００とアノードセパレータ３００とを用いて、既反応ガスと未反応ガスとを分離している。このことから本実施形態の燃料電池システムでは、新たにセパレータを用いることなく既反応ガスと未反応ガスとを分離しており、既反応ガスの水蒸気を未反応ガスに添加することができる。
【００６７】
本実施形態では、カソードセパレータ１００にサーペンタイン状の反応流路１０３ｂを有する流路１０３を形成した。同様にアノードセパレータ３００にサーペンタイン状の反応流路３０３ｂを有する流路３０３を形成した。このようにすることで、未反応ガスが流通する接続流路１０３ａ,３０３ａの近傍に、既反応ガスを流通させることができる。
【００６８】
さらに本実施形態では、凹部１０４と連通孔２０４と凹部３０４を形成した。同様に凹部３４０と連通孔２４０と凹部１４０とを形成した。このようにすることで、水蒸気透過領域２２１,２２２を挟んで、未反応ガスと既反応ガスとが交差して流通する。
【００６９】
水蒸気透過部分２２１,２２２の両側を多孔質体２００ｂで挟んだ。このことから、水蒸気透過部分２２１,２２２は強化され、カソードセパレータ１００側とアノードセパレータ３００側とを流通する各ガスに差圧が生じる場合にも対応することができる。さらに、水蒸気透過部分２２１,２２２は、既反応ガスが流通するストレート流路１５０,３５０側から未反応ガスが流通する接続流路１０３ａ,３０３ａ側へよりすばやく水蒸気を透過させることができる。
【００７０】
このように単セル１の各構成要素を用いて、未反応ガスの近傍に既反応ガスを流通させている。このことから本実施形態の燃料電池システムでは、新たに反応ガス輸送用の配管類を用いることなく既反応カソードガスの水蒸気を未反応カソードガスに添加することができる。
【００７１】
したがって本実施形態によれば、新たに部品を設けることなく、既反応ガスの水蒸気を未反応ガスに添加することができる燃料電池システムを提供できる。
（第２実施形態）
図３は、本発明の燃料電池システムの第２実施形態に使用する単セル１の各構成要素を示す図である。なお、以下に示す各実施形態では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００７２】
第１実施形態では、カソードセパレータ１００とアノードセパレータ３００の反応流路は、それぞれサーペンタイン状の流路１０３ｂ,３０３ｂであったが、本実施形態ではストレート流路１０３ｂ,３０３ｂとした。また第１実施形態では電解質膜２００において既反応カソードガスは連通孔２０４を流通するが、本実施形態では電解質膜２００の外側に配置され、凹部１０４,３０４によって形成される通路を流通する。既反応アノードガスについても同様に、凹部１４０,３４０によって形成される通路を流通する点が第１実施形態と異なる。
【００７３】
電解質膜２００は第１実施形態と同様に長方形である。カソードセパレータ１００とアノードセパレータ３００とは同等の形状であり、電解質膜２００と接する長方形の部分と、その四辺の外側に形成される部分とを有する。
【００７４】
カソードセパレータ１００には、カソードガス供給マニフォールド１０１と、ストレート状の流路１０３と、凹部１０４と、カソードガス排出マニフォールド１０６と、アノードガス供給マニフォールド１１０と、凹部１４０と、ストレート流路１５０と、アノードガス排出マニフォールド１６０とが形成される。
【００７５】
カソードガス供給マニフォールド１０１、アノードガス供給マニフォールド１１０は、電解質膜２００と接する長方形の部分の短辺の外側にそれぞれ配置される（図３（Ａ）左端及び右端）。
【００７６】
流路１０３は、接続流路１０３ａと、反応流路１０３ｂと、接続流路１０３ｃとを有する。本実施形態では反応流路１０３ｂはストレート状の流路である。
【００７７】
カソードガス供給マニフォールド１０１から供給されたカソードガスは、接続流路１０３ａ→反応流路１０３ｂ→接続流路１０３ｃを順次流通し、反応流路１０３ｂを流通するときに上記したカソード電極での反応が行われる。
【００７８】
凹部１４０、凹部１０４は、カソードセパレータ１００の一端に形成される（図３（Ａ）上側及び下側）。凹部１４０、凹部１０４は、単セル１を構成するときにそれぞれ後述の凹部３４０、凹部３０４とともに通路を形成する。この通路は、後述する電解質膜２００の長辺の外側に配置される。
【００７９】
電解質膜２００は、左側の領域が水蒸気透過部分２２１であり、図中のアミで示す。この水蒸気透過部分２２１は接続流路１０３ａと当接する。また右側の領域が水蒸気透過部分２２２であり、図中のアミで示す。この水蒸気透過部分２２２はストレート流路１５０と当接する。なお図中の破線は、凹部１０４と凹部３０４とで形成される通路及び凹部１４０と凹部３４０とで形成される通路を示す。このように、これらの通路は、電解質膜２００の外側に配置される。
【００８０】
アノードセパレータ３００には、アノードガス供給マニフォールド３１０と、ストレート状の流路３０３と、凹部３４０と、アノードガス排出マニフォールド３６０と、凹部３０４と、カソードガス供給マニフォールド３０１と、ストレート流路３５０と、カソードガス排出マニフォールド３０６とが形成される。
【００８１】
アノードセパレータ３００とカソードセパレータ１００とを重ねて単セル１としたときに、アノードガス供給マニフォールド３１０はアノードガス供給マニフォールド１１０に、凹部３４０は凹部１４０に、アノードガス排出マニフォールド３６０はアノードガス排出マニフォールド１６０に、凹部３０４は凹部１０４に、カソードガス供給マニフォールド３０１はカソードガス供給マニフォールド１０１に、カソードガス排出マニフォールド３０６はカソードガス排出マニフォールド１０６に、それぞれ重なる。
【００８２】
流路３０３は、接続流路３０３ａと、反応流路３０３ｂと、接続流路３０３ｃとを有する。アノードセパレータ３００を電解質膜２００の上に重ねたとき、接続流路３０３ａは水蒸気透過部分２２２と当接し、水蒸気透過部分２２２を挟んでストレート流路１５０と交差する。
【００８３】
アノードガス供給マニフォールド３１０から供給されたアノードガスは、接続流路３０３ａ→反応流路３０３ｂ→接続流路３０３ｃを順次流通し、反応流路３０３ｂを流通するときに上記したアノード電極での反応が行われる。
【００８４】
また、ストレート流路３５０は、アノードセパレータ３００を電解質膜２００の上に重ねると、水蒸気透過部分２２１と当接し、水蒸気交換部分２２１を挟んで流路１０３ａと交差する。
【００８５】
本実施形態の燃料電池システムに使用する単セル１において、凹部１０４,３０４によって形成される通路を設けた。この通路は接続流路１０３ｃと連通する。本実施形態では、凹部１０４,３０４によって形成される通路を用いて、既反応カソードガスを折り返して未反応カソードガスの近傍に流通させている。
【００８６】
第１実施形態のように、カソードセパレータ１００において既反応カソードガスを折り返す必要がなく、ストレート状の反応流路１０３ｂを用いて既反応カソードガスを未反応カソードガスの近傍に送りこむことができる。
【００８７】
凹部１０４,３０４から形成される通路と同様に、凹部３４０,１４０から形成される通路を設けた。この通路は既反応ガス流通域３０３ｃと連通する。本実施形態では、凹部３４０,１４０から形成される通路を用いて、既反応アノードガスを折り返して未反応アノードガスの近傍に流通させている。
【００８８】
第１実施形態のように、アノードセパレータ３００において既反応アノードガスを折り返す必要がなく、ストレート状の反応流路３０３ｂを用いて既反応アノードガスを未反応アノードガスの近傍に送りこむことができる。
【００８９】
さらにストレート状の反応流路１０３ｂ,３０３ｂは、第１実施形態のサーペンタイン状の流路１０３ｂ,３０３ｂに比べて、カソードガスとアノードガスがスムーズに流通する。
【００９０】
したがって本実施形態によれば、第１実施形態の効果に加え、各セパレータの流路を簡便に形成することができ、カソードガスとアノードガスの流通がスムーズになった燃料電池システムを提供することができる。
（第３実施形態）
図４は、本発明の燃料電池システムの第３実施形態に使用する単セル１と、エンドプレート８００と、エンドプレート８０との積層横断面を示す図である。本実施形態の燃料電池システムの構成は、単セル１のカソードセパレータ１００の外側にエンドプレート８００が積層され、アノードセパレータ３００の外側にエンドプレート８０が積層される構成である。
【００９１】
図５〜図８は、本発明の燃料電池システムの第３実施形態に使用する単セル１の各構成要素とエンドプレート８０,８００を示す図である。図５は、エンドプレート８００をカソードセパレータ１００側から見た図である。図６（Ａ）は、カソードセパレータ１００を電解質膜２００側から見た図である。図６（Ｂ）は、電解質膜２００をアノードセパレータ３００側から見た図である。図６（Ｃ）は、アノードセパレータ３００を電解質膜２００とは反対側から透視したときの図である。図７は、アノードセパレータ３００をエンドプレート８０側から見た図である。図８は、エンドプレート８０をアノードセパレータ３００側から見た図である。なお、図５〜図８の図中の太線は、アノードガス、カソードガス、冷却水の漏洩を防止するためのシール材を示す線である。
【００９２】
第２実施形態では、既反応ガスを未反応ガスの近傍へ折り返すために、凹部１０４,３０４によって形成される通路と、凹部３４０,１４０によって形成される通路とを用いた。これらの通路の代わりに本実施形態では、エンドプレート８００に形成される流路８０４ｂ,８４０ｂを用いる。
【００９３】
エンドプレート８００と、カソードセパレータ１００と、電解質膜２００と、アノードセパレータ３００と、エンドプレート８０とは、それぞれ同等の形状であり、横に細長く両側の部分の幅と比べて中央付近の幅が狭くなっている。
【００９４】
エンドプレート８００には、カソードガス供給マニフォールド８０１と、冷却水供給マニフォールド８２０と、カソードガス排出マニフォールド８０６と、第１中間凹部８４０ａと、第２中間凹部８０４ｃと、ストレート状の流路８０４ｂ,８４０ｂと、第１中間凹部８０４ａと、第２中間凹部８４０ｃと、アノードガス排出マニフォールド８６０と、冷却水排出マニフォールド８３０と、アノードガス供給マニフォールド８１０とが形成される。
【００９５】
カソードガス供給マニフォールド８０１は、エンドプレート８００の角隅付近に形成される。カソードガス供給マニフォールド８０１は、エンドプレート８００を貫通するように形成される。
【００９６】
冷却水供給マニフォールド８２０は、エンドプレート８００の一端であって、その中央付近に形成される。
【００９７】
カソードガス排出マニフォールド８０６は、冷却水供給マニフォールド８２０を挟んでカソードガス供給マニフォールド８０１の反対側に配置される。カソードガス排出マニフォールド８０６はエンドプレート８００を貫通するように形成される。
【００９８】
第２中間凹部８０４ｃは、シール材を介してカソードガス供給マニフォールド８０１の隣に形成される。第２中間凹部８０４ｃはエンドプレート８００が窪まされて形成される。
【００９９】
第１中間凹部８４０ａは、シール材を介してカソードガス排出マニフォールド８０６の隣に形成される。第１中間凹部８４０ａはエンドプレート８００が窪まされて形成される。
【０１００】
アノードガス供給マニフォールド８１０はカソードガス排出マニフォールド８０６に対して対称に配置される。また冷却水排出マニフォールド８３０は冷却水供給マニフォールド８２０と、アノードガス排出マニフォールド８６０はカソードガス供給マニフォールド８０１と、第１中間凹部８０４ａは第２中間凹部８０４ｃと、第２中間凹部８４０ｃは第１中間凹部８４０ａと、それぞれ対称に配置される。
【０１０１】
またエンドプレート８００の中央付近には、流路８０４ｂと流路８４０ｂとが形成される。流路８０４ｂは、第１中間凹部８０４ａと第２中間凹部８０４ｃとを連通する流路である。流路８４０ｂは、第１中間凹部８４０ａと第２中間凹部８４０ｃとを連通する流路である。
【０１０２】
カソードセパレータ１００には、カソードガス供給マニフォールド１０１と、冷却水供給マニフォールド１２０と、カソードガス排出マニフォールド１０６と、第１中間孔１８０と、第２中間孔１０４ｃと、ストレート状の流路１０３と、第１中間孔１０４ａと、第２中間孔１４０と、アノードガス排出マニフォールド１６０と、冷却水排出マニフォールド１３０と、アノードガス供給マニフォールド１１０と、流路１５０とが形成される。
【０１０３】
カソードセパレータ１００をエンドプレート８００に重ねると、カソードガス供給マニフォールド１０１はカソードガス供給マニフォールド８０１に、冷却水供給マニフォールド１２０は冷却水供給マニフォールド８２０に、カソードガス排出マニフォールド１０６はカソードガス排出マニフォールド８０６に、第１中間孔１８０は第１中間凹部８４０ａに、第２中間孔１０４ｃは第２中間凹部８０４ｃに、第１中間孔１０４ａは第１中間凹部８０４ａに、第２中間孔１４０は第２中間凹部８０４ｃに、アノードガス排出マニフォールド１６０はアノードガス排出マニフォールド８６０に、冷却水排出マニフォールド１３０は冷却水排出マニフォールド８３０に、アノードガス供給マニフォールド１１０はアノードガス供給マニフォールド８１０に、それぞれ重なる。
【０１０４】
カソードガス供給マニフォールド１０１から供給されるカソードガスは、接続流路１０３ａ→反応流路１０３ｂ→接続流路１０３ｃを順次流通し、反応流路１０３ｂを流通するときに上述したカソード電極での反応が行われる。
【０１０５】
電解質膜２００には、カソードガス供給マニフォールド２０１と、冷却水供給マニフォールド２２０と、カソードガス排出マニフォールド２０６と、第２中間孔２０４と、第１中間孔２８０と、カソードガス排出マニフォールド２６０と、第１中間孔２８１と、第２中間孔２４０と、アノードガス排出マニフォールド２１０と、冷却水排出マニフォールド２３０とが形成される。
【０１０６】
電解質膜２００をカソードセパレータ１００に重ねると、カソードガス供給マニフォールド２０１はカソードガス供給マニフォールド１０１に、冷却水供給マニフォールド２２０は冷却水供給マニフォールド１２０に、カソードガス排出マニフォールド２０６はカソードガス排出マニフォールド１０６に、第２中間孔２０４は第２中間孔１０４ｃに、第１中間孔２８０は第１中間孔１８０に、カソードガス排出マニフォールド２６０はアノードガス排出マニフォールド１６０に、第１中間孔２８１は第１中間孔１０４ａに、第２中間孔２４０は第２中間孔１４０に、アノードガス排出マニフォールド２１０はアノードガス供給マニフォールド１１０に、冷却水排出マニフォールド２３０は冷却水排出マニフォールド１３０に、それぞれ重なる。
【０１０７】
アノードセパレータ３００には、アノードガス供給マニフォールド３１０と、冷却水排出マニフォールド３３０と、第２中間孔３８０と、アノードガス排出マニフォールド３６０と、第１中間孔３８１と、ストレート状の流路３０３と、第２中間孔３０４と、第１中間孔３４０ａと、流路３５０と、カソードガス排出マニフォールド３０６と、冷却水供給マニフォールド３２０と、カソードガス供給マニフォールド３０１とが形成される。
【０１０８】
アノードセパレータ３００を電解質膜２００に重ねると、アノードガス供給マニフォールド３１０はアノードガス供給マニフォールド２１０に、冷却水排出マニフォールド３３０は冷却水排出マニフォールド２３０に、第２中間孔３８０は第２中間孔２４０に、アノードガス排出マニフォールド３６０はアノードガス排出マニフォールド２６０に、第１中間孔３８１は第１中間孔２８１に、第２中間孔３０４は第２中間孔２０４に、第１中間孔３４０ａは第１中間孔２８０に、カソードガス排出マニフォールド３０６はカソードガス排出マニフォールド２０６に、冷却水供給マニフォールド３２０は冷却水供給マニフォールド２２０に、カソードガス供給マニフォールド３０１はカソードガス供給マニフォールド２０１に、それぞれ重なる。
【０１０９】
アノードパレータ３００の中央付近には、流路３０３が形成される。流路３０３は、アノードガス供給マニフォールド３１０と第１中間孔３４０ａとを連通する流路である。流路３０３は、接続流路３０３ａと、反応流路３０３ｂと、接続流路３０３ｃとを有する。本実施形態では反応流路３０３ｂはストレート状である。
【０１１０】
アノードガス供給マニフォールド３１０から供給されるアノードガスは、接続流路３０３ａ→反応流路３０３ｂ→接続流路３０３ｃを順次流通し、反応流路３０３ｂを流通するときに上述したアノード電極での反応が行われる。
【０１１１】
図７を用いてアノードセパレータ３００のエンドプレート８０側の面（図６（Ｃ）の裏面）の詳細について説明する。
【０１１２】
アノードセパレータ３００のエンドプレート８０側には、冷却水流路３９０が形成される。冷却水流路３９０は、冷却水供給マニフォールド３２０と冷却水排出マニフォールド３３０とを連通する流路である。冷却水流路３９０は、アノードセパレータ３００の中央付近で一定の広い幅を有し、冷却水供給マニフォールド３２０と冷却水排出マニフォールド３３０付近ですぼまる。
【０１１３】
図８はエンドプレート８０のアノードセパレータ３００側の面を示す図である。エンドプレート８０は、燃料電池に用いられるエンドプレートであり、エンドプレート８００とともに単セル１を挟持する。エンドプレート８０は、アノードセパレータ３００を流通する反応ガスと冷却水の漏洩を防止する。
【０１１４】
本実施形態の燃料電池システム内のカソードガスと、アノードガスと、冷却水の移動について、図５〜図８を用いて説明する。まずカソードガスの移動について説明する。
【０１１５】
カソードガスは、カソードガス供給マニフォールド８０１を流通してカソードガス供給マニフォールド１０１からカソードセパレータ１００上を流通する。そしてカソードガスは流路１０３を流通して第１中間孔１０４ａへ流通する。この過程においてカソードガスは、反応流路１０３ｂを流通するときに生成水が添加される。
【０１１６】
そして既反応カソードガスは、第１中間孔８０４ａからエンドプレート８００上を流通する。既反応カソードガスは流路８０４ｂを流通し第２中間凹部８０４ｃへ流通する。そして、第２中間孔１０４ｃ→２０４→３０４を順次流通して、アノードセパレータ３００上へ流通する。
【０１１７】
そして既反応カソードガスは流路３５０を流通してカソードガス排出マニフォールド３０６へ流通する。このとき流路３５０の既反応カソードガスに含まれる水蒸気が、接続流路１０３ａの未反応カソードガスへ添加される。
【０１１８】
そして既反応カソードガスは、カソードガス排出マニフォールド３０６→２０６→１０６→８０６を順次流通して外部へ排出される。
【０１１９】
次いで、アノードガスの移動及び作用について説明する。
【０１２０】
アノードガスは、アノードガス供給マニフォールド８１０から、アノードガス供給マニフォールド１１０→２１０→３１０を順次流通して、アノードセパレータ３００上へ流通する。アノードガスは、流路３０３を流通して第１中間孔３４０ａへ流通する。この過程においてアノードガスは、接続流路３０３ａ→反応流路３０３ｂ→接続流路３０３ｃを順次流通する。アノードガスは反応流路３０３ｂを流通しながら、逆拡散によってアノード電極２７０上へ移動してきた水が添加される。
【０１２１】
そして既反応アノードガスは、第１中間孔２８０→１８０を順次流通し、第１中間孔８４０ａからエンドプレート８００上を流通する。既反応アノードガスは流路８４０ｂを流通して第２中間孔８４０ｃへ流通する。そして既反応アノードガスは第２中間孔１４０からカソードセパレータ１００上へ流通し、流路１５０を流通してアノードガス排出マニフォールド１６０へ流通する。このとき流路１５０の既反応アノードガスに含まれる水蒸気が、接続流路３０３ａの未反応アノードガスへ添加される。
【０１２２】
そして既反応アノードガスはアノードガス排出マニフォールド１６０→８６０を順次流通して外部へ排出される。
【０１２３】
冷却水の移動について説明する。冷却水は冷却水供給マニフォールド８２０→１２０→２２０を順次流通し、冷却水供給マニフォールド３２０からアノードセパレータ３００のエンドプレート８０側を流通する。冷却水は冷却水流路３９０を流通して冷却水排出マニフォールド３３０へ流通する。そして冷却水は冷却水排出マニフォールド２３０→１３０→８３０を順次流通して外部へ排出される。
【０１２４】
本実施形態の燃料電池システムにおいて、カソードセパレータ１００に第１中間孔１０４ａと第２中間孔１０４ｃとを設けた。そしてこれらの中間孔とエンドプレート８００内の流路８０４ｂとを連通させるように、エンドプレート８００に第１中間孔８０４ａと第２中間孔８０４ｃとを形成した。このようにすることで、既反応カソードガスをエンドプレート８００内で折り返して未反応カソードガスの近傍を流通させることができる。
【０１２５】
このことから、本実施形態ではカソードセパレータ１００において既反応カソードガスを折り返す必要がなく、ストレート状の反応流路１０３ｂを用いて既反応カソードガスを未反応カソードガスの近傍に流通させることができる。
【０１２６】
アノードセパレータ３００に第１中間孔３４０ａを形成した。この中間孔とエンドプレート８００内の流路８４０ｂとを連通させるように、カソードセパレータ１００に第１中間孔１８０を形成し、エンドプレート８００に第１中間凹部８４０ａを形成した。さらにカソードセパレータ１００に第２中間孔１４０を形成し、エンドプレート８００に第２中間凹部８４０ｃを形成した。このようにすることで、既反応アノードガスをエンドプレート８００内で折り返して未反応アノードガスの近傍に流通させることができる。
【０１２７】
このことから、本実施形態ではアノードセパレータ３００において既反応アノードガスを折り返す必要がなく、ストレート状の反応流路３０３ｂを用いて既反応アノードガスを未反応アノードガスの近傍に流通させることができる。
【０１２８】
本実施形態ではカソードセパレータ１００とアノードセパレータ３００とにおいて、既反応ガスを折り返す必要がないので、第２実施形態と同等の効果を得ることができる。
【０１２９】
さらに、第２実施形態の凹部１０４,３０４と、凹部１４０,３４０とから形成される通路の代わりに、エンドプレート８００内の流路８０４ｂ,８４０ｂを用いたので、単セル１の部品数を減らすことができる。
【０１３０】
したがって本実施形態によれば、第１,２実施形態よりも少ない部品で、既反応ガスの水蒸気を未反応ガスへ添加することができる燃料電池システムを提供できる。
（第４実施形態）
図９は、本発明の燃料電池システムの第４実施形態に使用するエンドプレート８００をカソードセパレータ１００側から見た図であり、図５に対応するものである。
【０１３１】
本実施形態では、カソードセパレータ１００は図６（Ａ）に示したものを使用し、電解質膜２００は図６（Ｂ）に示したものを使用し、アノードセパレータ３００は図６（Ｃ）に示したものを使用し、エンドプレート８０は図８に示したものを使用する。
【０１３２】
図５においては、第１中間凹部８０４ａ〜第２中間凹部８０４ｃを結ぶ流路８０４ｂと、第１中間凹部８４０ａ〜第２中間凹部８４０ｃを結ぶ流路８４０ｂとが形成されていたが、本実施形態では、第１中間凹部８０４ａに代えて第１中間孔８０５ａを、第２中間凹部８０４ｃに代えて第２中間孔８０５ｃを、第１中間凹部８４０ａに代えて第１中間孔８５０ａを、第２中間凹部８４０ｃに代えて第２中間孔８５０ｃを、それぞれ形成する。そして、カソード三方弁９０１を設けて、第１中間孔８０５ａ〜第２中間孔８０５ｃを連通するとともに、運転状態に応じてカソード三方弁９０１を切り替えて、第１中間孔８０５ａ〜カソードガス排出マニフォールド８０６を連通する。またアノード三方弁９０２を設けて、第１中間孔８０５ａ〜第２中間孔８０５ｃを連通するとともに、運転状態に応じてアノード三方弁９０２を切り替えて、第１中間孔８５０ａ〜アノードガス排出マニフォールド８６０を連通する。
【０１３３】
本実施形態によれば、カソード三方弁９０１及びアノード三方弁９０２によって、未反応ガスへの水蒸気の添加をコントロールすることができる。すなわち既反応カソードガスの水蒸気を未反応カソードガスに添加する必要があるときは、カソード三方弁９０１を切り替えて、第１中間孔８０５ａ〜第２中間孔８０５ｃを連通する。また既反応カソードガスの水蒸気を未反応カソードガスに添加する必要がないときは、カソード三方弁９０１を切り替えて、第１中間孔８０５ａ〜カソードガス排出マニフォールド８０６を連通する。また既反応アノードガスの水蒸気を未反応アノードガスに添加する必要があるときは、アノード三方弁９０２を切り替えて、第１中間孔８０５ａ〜第２中間孔８０５ｃを連通する。既反応アノードガスの水蒸気を未反応アノードガスに添加する必要がないときは、アノード三方弁９０２を切り替えて、第１中間孔８５０ａ〜アノードガス排出マニフォールド８６０を連通する。
【０１３４】
このように本実施形態によれば、カソード三方弁９０１及びアノード三方弁９０２によって、未反応ガスへの水蒸気の添加をコントロールすることができるのである。
【０１３５】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【０１３６】
第１,２実施形態において、第３実施形態と同様に、カソードセパレータ１００とアノードセパレータ３００との間に冷却水を流通させてもよい。このようにすることで、第１,２実施形態の効果に加え、燃料電池の運転中に単セル１を冷却することができる。
【０１３７】
第３,４実施形態において、燃料電池システム３を構成する単セル１は複数用いてもよい。この場合でも第３実施形態と同等の効果が得られる。
【０１３８】
第４実施形態において、カソード三方弁９０１、アノード三方弁９０２のいずれか一方を用いてもよい。このようにすることで、未反応カソードガス、未反応アノードガスのいずれか一方のみをコントロールして加湿することができる。
【０１３９】
第１実施形態から第４実施形態の水蒸気透過部分２２１,２２２を挟む多孔質体２００ｂにおいて、既反応ガスが流通する流路側に親水処理し、未反応ガスが流通する側を撥水処理してもよい。このようにすることで、既反応ガスから未反応ガスへの水蒸気の透過の効率を上げることができ、かつ水蒸気透過部分を小さくすることができる。
【０１４０】
第１実施形態から第４実施形態において、カソードガス又はアノードガスのどちらか一方にのみにおいて、既反応ガスから未反応ガスへ水蒸気を添加するように構成してもよい。このような場合でも、本発明の燃料電池システムと同様の効果を得ることができる。
【０１４１】
第１実施形態から第４実施形態の水蒸気透過部分を、カソード電極及びアノード電極によって挟まれた部分よりも薄くしてよい。このようにすることで、水蒸気透過部分の面積を小さくして、第１実施形態から第４実施形態と同等の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４２】
【図１】本発明による燃料電池システムの第１実施形態に使用する単セル１を示す図である。
【図２】本発明による燃料電池システムの第１実施形態に使用する単セル１の各構成要素の面を示す図である。
【図３】本発明による燃料電池システムの第２実施形態に使用する単セル１の各構成要素の面を示す図である。
【図４】本発明による燃料電池システムの第３実施形態に使用する単セル１と、エンドプレート８０,８００の積層横断面である。
【図５】本発明による燃料電池システムの第３実施形態に使用するエンドプレート８００の面を示す図である。
【図６】本発明による燃料電池システムの第３実施形態に使用する単セル１の各構成要素の面を示す図である。
【図７】本発明による燃料電池システムの第３実施形態に使用する単セル１のアノードセパレータ３００の裏側の面を示す図である。
【図８】本発明による燃料電池システムの第３実施形態に使用する単セル１のエンドプレート８０の面を示す図である。
【図９】本発明による燃料電池システムの第４実施形態に使用する単セル１のエンドプレート８００と、カソード三方弁９０１,アノード三方弁９０２との関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１４３】
１            単セル１（燃料電池システム）
１００        カソードセパレータ（第１セパレータ）
１０１        カソードガス供給マニフォールド（供給マニフォールド）
２００        電解質膜（固体高分子膜）
２０７        カソード電極
２７０        アノード電極
３００        アノードセパレータ（第２セパレータ）
２２１,２２２  水蒸気透過部分（固体高分子膜）
１５０,３５０  ストレート流路（既反応ガスが流れる通路）
１０３ａ,３０３ａ  接続流路（未反応ガス通路）
Ｃ            カソード当接領域
Ａ            アノード当接領域
１０３ｂ      反応流路
２０４        連通孔
９０１          カソード三方弁（三方弁）
９０２          アノード三方弁（三方弁）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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